JP3649643B2 - Lithium-ion battery capacity estimation method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン電池に関し、特に、リチウムイオン電池の容量を推定する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、各種電子機器の小型化、高性能化、携帯型化によって、電池の需要が高まっている。それに応じて電池の改良、開発はますます活発化している。また、電池の新しい適用領域も拡大してきている。
【0003】
電池の普及とともに、これら搭載された電池の信頼性向上の要求も高くなってきている。特に、従来の鉛電池やニッケルカドミウム電池(以下、Ni/Cd電池と称す)に比べて大幅な高エネルギー密度であるニッケル水素電池(以下、Ni/MH電池と称す)やリチウムイオン電池(以下、Liイオン電池と称す)では、事故による被害の程度もより深刻となりうるので、信頼性の確保が重要な課題となっている。
【0004】
信頼性のひとつとして、搭載電池の的確な劣化状態の把握とタイムリーな電池の交換が挙げられる。Ni/MH電池やLiイオン電池の高エネルギー密度電池に関しては、インテル社とデュラセル社によって1994年に提唱されたスマートバッテリーシステム(SBS)が充電制御、残存容量判定などを含めたバッテリーマネジメントシステムとして、改良を加えながら普及してきている(www. sbs-forum. or 参照)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電池の劣化状態に対しては、これらの電池制御・管理は、製造メーカ、電池種類などの情報の他、常時電池の電流、電圧、温度などをモニタする膨大な情報データ管理に基づく方法であり、極めて高価な方式で、製品価格の高騰を来していた。
【0006】
また、SBSは電池の充電制御、残存容量などの制御・管理であり、電池の劣化状態まで把握する機能は有しておらず、電池、または電池パックの交換は使用者の勘に頼っているのが現状であった。
【0007】
SBSとは別に、ソニー社のビデオカメラに搭載するLiイオン電池(インフォリチウム)の制御・管理方式などが提案されているが、SBSと同様、劣化判定機能は有していなかった。
【0008】
したがって、Liイオン電池の容量推定を簡便に行う方法を確立すれば、その方法によって推定された容量が、あらかじめ設定された限界容量よりも大きいか小さいかによって、その電池が劣化していないか劣化しているかを判定できるので、その方法が持つ効果は極めて大きい。
【0009】
本発明は、上記の点に鑑み、なされたものであり、その課題は、Liイオン電池の劣化を判定するために必須となる、Liイオン電池の容量推定を簡便に行う方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項1に記載したように、
リチウムイオン電池の容量を推定する方法であ、該リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点から30秒以上、30分以内の時間tだけ経過した時点における充電電流値Itを求め、該充電電流値Itを用いて該リチウムイオン電池の推定容量Ctを、関係式、
Ct / =−a×It+b (1)
(ここに、C は該リチウムイオン電池の公称容量であり、a、bは該リチウムイオン電池と該時間tとによって定まる正値定数である)によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であって、容量推定の対象となるリチウムイオン電池あるいは該リチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、1回の全充電時間が3時間以上、1か月以内である定電流定電圧方式による充電期間と、放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを5回以上繰り返して、各サイクルにおいて、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点からの経過時間が30秒以上、30分以内の範囲内にあるような複数時点における該経過時間t ni (ここに、nは各サイクルに付した番号であり、iは各サイクル中の各時点に付した番号である)および上記充電電流値It ni 、ならびに、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量C を記録し、記録された該経過時間t ni と該充電電流値It ni と該放電容量C とから、上記関係式(1)におけるa、bの値を確定することを特徴とするリチウムイオン電池の容量推定方法を構成する。
【0011】
また、本発明においては、請求項2に記載したように、
リチウムイオン電池の容量を推定する方法であ、該リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点から30秒以上、30分以内の時間tだけ経過した時点における充電電流値Itを求め、該充電電流値Itを用いて該リチウムイオン電池の推定容量Ctを、関係式、
Ct/C=−a×It+b (1)
(ここに、Cは該リチウムイオン電池の公称容量であり、a、bは該リチウムイオン電池と該時間tとによって定まる正値定数である)によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であり、上記関係式(1)におけるa、bの値を、上記時間tの関数として、関係式、
a=d×t (2)
b=f×t (3)
(ここに、d、e、f、hは上記リチウムイオン電池によって定まる定数であり、0<d、e<0、0<f、h<0である)によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であって、容量推定の対象となるリチウムイオン電池あるいは該リチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、1回の全充電時間が3時間以上、1か月以内である定電流定電圧方式による充電期間と、放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを5回以上繰り返して、各サイクルにおいて、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点からの経過時間が30秒以上、30分以内の範囲内にあるような複数時点における該経過時間t ni (ここに、nは各サイクルに付した番号であり、iは各サイクル中の各時点に付した番号である)および上記充電電流値It ni 、ならびに、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量C を記録し、記録された該経過時間t ni と該充電電流値It ni と該放電容量C とから、上記関係式(2)、(3)におけるd、e、f、hの値を確定することを特徴とするリチウムイオン電池の容量推定方法を構成する。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明に係るLiイオン電池の容量推定方法を図面を用いてさらに詳しく説明する。以下の説明において、「電池パック」とは、単電池、あるいは複数個の単電池を直列接続、並列接続、あるいは両者の併用によって接続したものを、安全制御回路あるいは充放電制御回路と一体化して「自立電源としての二次電池」としたものを意味する。
【0018】
図1は、Liイオン電池の充電における電池電圧と電流値の経時変化を示した図である。図1において、該電池、または電池パック中のLiイオン電池(以下、これらをLiイオン電池と総称する)を、まず、定電流(CC)モードによって、所定の一定電流値であらかじめ設定された上限電圧V1(通常は4.1V/セル、または4.2V/セルである、ただし、「セル」は単電池を意味する)まで充電し、該設定電圧V1にLiイオン電池の電圧が到達した後、定電圧(CV)モードの充電が開始される。
【0019】
このような、定電流定電圧方式によって充電する際に、充電条件が定電流モードから定電圧モードに切り替えられた時点から所定の時間tが経過した時の電流値Itを求めると、この電池の容量が一定ならば、この電流値Itも一定である。 しかし、上記時間tが或る範囲内にある場合には、電池の容量が減少すると、電流値Itが増加する。
【0020】
本発明者らは、上記の、容量減少と電流増加との間に成り立つ顕著な相関関係を発見し、本発明をなすに至った。
【0021】
以下に、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
本発明においては、容量容量推定の対象となるリチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点からあらかじめ設定された時間だけ経過した時点における充電電流値を求め、該充電電流値を用いて該リチウムイオン電池の容量を推定する。
【0022】
このような推定を可能とするために、容量推定の対象となるリチウムイオン電池と同一構造、同一仕様(本明細書においては、これを同一種類と称する)のリチウムイオン電池であって、その容量が(繰り返し使用などの原因によって)異なるものを複数個用意し、それらを用いて、充放電サイクルを繰り返し、上記時点における充電電流値を測定し、その結果から、電池の容量と該充電電流値との相関関係を求めておく。このときの相関関係は、かならずしも解析的数式によって表現される必要はなく、相関関係図における測定点間を直線で結んだ折線によって表現されていてもよいが、本発明においては、上記の相関関係が解析的数式によって表現される場合のみを対象とする
【0023】
さらに、上記の相関関係として、直線関係(1次関数関係)を採用する場合には、上記の時間に好ましい範囲がある。後述の具体例2(とくに図5)に示すように、小さな誤差のみを生ずるような上記時間の好ましい範囲は30秒以上、30分以内であり、より好ましい範囲は30秒以上、20分以内である
【0024】
本実施の形態においては、上記の「あらかじめ設定された時間」をtとし、その時間tを30秒以上、30分以内とする。このような制限の下では、電池の推定容量Ctと充電電流値Itとの間に、上記関係式(1)、すなわち、
Ct/C=−a×It+b (1)
(ここに、Cは該リチウムイオン電池の公称容量であり、a、bは該リチウムイオン電池と該時間tとによって定まる正値定数である)で示される簡単な直線関係が成立するので、実用上好都合である。後述の具体例2(とくに図5)に示すように、小さな誤差のみを生ずるような上記時間tの好ましい範囲は30秒以上、30分以内であり、より好ましい範囲は30秒以上、20分以内である。
【0025】
また、CVモード充電開始後30秒未満の時点では、充電電流値のバラツキが大きくなる場合があり、かならずしも正確な容量推定を行えるとは限らない。また、開始後30分を越えた時間になると、充電電流値と容量との関係が変化し、単純な直線関係から大きくはずれて関係式が複雑となる。
【0026】
電流値Itを求めるためのモニタリングは、例えば、10μ秒ごとに数回行い、その中間値を選んだり、平均値を選んだりする方法がノイズによる誤認識を抑制する方法として好ましい。しかし、本発明に係る容量推定方法の実施が可能ならば何らモニタリングの方法を限定するものではない。
【0027】
電池の推定容量Ctは、上記の電流値Itを用い、上記関係式(1)によって算出する。このときに、上記関係式(1)におけるa、bの値を知る必要があるが、その方法としては、たとえば、後述の方法がある。
【0028】
上記の推定容量Ctから電池の劣化を判定する場合には、公称容量Cに対する関係式
Deg(%)=100×(1−Ct/C) (4)
によって劣化度Deg(%)を計算し、この劣化度Deg(%)が、あらかじめ定められた限界値よりも大となったときに、その電池は劣化した、と判定すればよい
【0029】
また、上記関係式(1)におけるa、bの値を上記関係式(2)、(3)、すなわち、
a=d×t (2)
b=f×t (3)
(ここに、d、e、f、hは上記リチウムイオン電池によって定まる定数であり、0<d、e<0、0<f、h<0である)によって算出してもよい
【0030】
このときに、上記関係式(2)、(3)におけるd、e、f、hの値を知る必要があるが、その方法としては、たとえば、後述の方法がある。
【0031】
多くの事例について、d、e、f、hの値を求めたところ、Itの単位をAとし、tの単位を分としたときに、これらの値は、条件、
1.4≦d≦2.2
−0.7≦e≦−0.3
1.4≦f≦2.2
−0.25≦h≦−0.15
を満足することが判明した。
【0032】
また、上記関係式(1)において、任意の推定容量値Ctにある同一の電池において充電電流値Itが時間tの増加とともに単調に減少する条件を満たす値であることを主張するものである。
【0033】
上記関係式(1)の係数a、bが測定時間tの関数となる理由は、定電流(CV)モードによる充電の場合、電流値はLiの活物質中への固体内拡散に依存することが知られている。もし、上記Liの活物質中への固体内拡散がFickの第一法則によるとすれば、電流値IはCVモード開始からの時間tに関して、
I=KnF[(△c)/t1/2
(ただし、Kは定数、△cは固体内のLiの濃度勾配に相当する値、nは電気化学当量、Fは Faraday 定数)となる。
【0034】
しかし、現実には様々な要因が存在するためにより複雑なtの関数となりうる。本発明における劣化判定式(1)の定数a、bは、0.5≦t≦30における任意の時間tにおける電流値Itを測定すれば、測定対象の電池の容量Ct(これは測定時間tに依存しないことが求められる)が算出できるよう、この固体内拡散の影響を考慮しているため、測定時間tの高次関数となっている。
【0035】
上記に示した定数の条件以外の値では、1分以内の極めて短時間で電流値Itがマイナスの値をとったり、充電電流値Itが経過時間tのある値で極大値を持つようになったりすることがあり、実質上、Liイオン電池の充電電流変化を具体的に式で示すことがかならずしも可能でない。
【0036】
なお、上記関係式(1)に示される推定容量Ctは、満充電状態から所定の下限電圧まで放電した、完全放電のときの容量であり、途中の任意の電圧までの放電容量を示すものではない。
実施の形態においては、下記の方法によって、上記関係式(1)におけるa、bの値、あるいは、上記関係式(2)、(3)におけるd、e、f、hの値を確定し、確定された値を用いて、リチウムイオン電池の容量を推定する。すなわち、
容量推定の対象となるリチウムイオン電池あるいは該リチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、
1回の全充電時間が3時間以上、1か月以内である定電流定電圧方式による充電期間と、放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを5回以上繰り返して、
各サイクルにおいて、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点からの経過時間が30秒以上、30分以内の範囲内にあるような複数時点における該経過時間tni(ここに、nは各サイクルに付した番号であり、iは各サイクル中の各時点に付した番号である)および上記充電電流値Itni、ならびに、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量Cを記録し、記録された該経過時間tniと該充電電流値Itniと該放電容量Cとから、上記関係式(1)におけるa、bの値、あるいは、上記関係式(2)、(3)におけるd、e、f、hの値を確定し、確定された値を用いて、リチウムイオン電池の容量を推定する
【0037】
上記の数値の確定には、逐次近似法や、最小自乗法などを用いればよい。
【0038】
具体的な充放電サイクルとしては、つぎのようなものがある。すなわち、
容量推定の対象となるLiイオン電池あるいは同一種類のLiイオン電池を用い、
0.5C以上、2C以下の充電率になる充電電流値、または、充電条件として推奨される、または電池を搭載する機器や使用する充電器の規定する充電上限電圧設定下での定電流定電圧(CC−CV)方式による、3時間以上1ヶ月以内の充電時間による充電期間と、
0.2C以上、2C以下の放電率になる放電電流値、または、放電条件として推奨される、または電池を搭載する機器や使用する充電器の規定する放電終止電圧条件設定下での放電期間と、
必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを容量推定のための充放電サイクルとする。
【0039】
充電電流値は、2Cを超える大電流では、通常の使用電流を上回り、電池にダメージを与え、正確な劣化判定式を構築できない。また、0.5C未満の低充電率では劣化判定式を構築するための時間が掛かりすぎ、好ましくない。
【0040】
各サイクルの充電時間が3時間未満だと、Liイオン電池が劣化している場合に、充電が不足する可能性があり、正確な劣化判定が困難な劣化判定式を提供することになり、好ましくない。
【0041】
また、1ヶ月を越える充電時間にすると、該劣化判定式を構築するために膨大な時間を要し、好ましくない。
【0042】
また、該劣化判定式を求めるためには、その係数を決定するために上記条件になる充放電サイクルを少なくとも5サイクル以上実施する。本発明に係る劣化判定式(1)は1次関数であるから最低2サイクルのデータで該係数を決定することが可能であるが、実際は電流値読みとりの誤差などにより4サイクル以下のデータだと誤差が±20%を越えてしまい、好ましくない。±20%以内の判定精度を確保するためには少なくとも5サイクル分のデータ取得が好ましい。さらに、データ取得の対象となる3サイクル以上の各サイクルにおける電流値Itの測定は、CVモードに変更されてから経過する異なる2点の時間では、定数a、およびbを記述するそれぞれの係数d、e、f、hを決定することが困難となる。
【0043】
本発明に係るLiイオン電池の容量推定方法では、上記関係式(1)を10℃以上、45℃以下で求めることが好ましい。10℃未満の低温下では、上記関係式(1)のような容量Ctと充電電流値Itとの間に直線関係が成り立たない。また、45℃より高温下では、Liイオン電池の使用温度範囲になじまない。また、容量推定の実施は、上記関係式(1)を求めた時の環境温度に対して±10℃の範囲内にあり、かつ10℃以上、45℃以下の範囲内にある環境温度で行うことが望ましい。関係式を求めた温度より+10℃を超え、−10℃未満の環境温度では充電電流値の値が異なり、正確な容量推定を行うことが困難となる
【0044】
(参考例1)
参考例においては、
ICを内蔵した安全性確保手段を備えたリチウムイオン電池パックを用い、該ICあるいは該ICに付設して増設されたICに、該リチウムイオン電池パック中のリチウムイオン電池の推定容量値の算出に用いる数値を記憶する空きメモリを設け、さらに、該数値が該空きメモリに記憶された場合に、該数値と該リチウムイオン電池充電中の充電電流値とから該推定容量値を算出する演算回路とを設けたことを特徴とするリチウムイオン電池パックを構成する。
【0045】
このようなリチウムイオン電池パックにおいては、該パック中のリチウムイオン電池が充電される際に、該電池の推定容量値が算出されるので、その値をICの、外部との接続端子を介して読みだしてもよいし、該推定容量値が、あらかじめ設定された限界容量値よりも小となったときに、容量劣化を意味する警告を出力する手段を該電池パックに設けておいてもよい。この警告としては、文字または画像の表示による警告、信号音による警告、あるいは音声による警告などが用いられる。
【0046】
また、リチウムイオン電池充電中の充電電流値と、その他の数値とから該リチウムイオン電池の推定容量値を算出する方法としては、たとえば、請求項1または2に記載のリチウムイオン電池の容量推定方法を用いることができる。
【0047】
以上の実施の形態の説明で明らかなように、本発明に係るLiイオン電池の容量推定方法は、極めて簡便な方法であり、これを用いて、容易かつ簡便に、Liイオン電池の容量劣化の判定を行うことができ、実用上の著しい効果が現れる。
【0048】
また、上記参考例1に記載したLiイオン電池パックにおいては、ただ単に、該電池パックを使用することのみによって、該電池パック内の電池の容量を推定することができ、それによって、該電池の容量劣化の判定を自動的に行うことができるので、その実用上の効果には極めて大なるものがある。
(実施の具体例)
つぎに、本発明に係るLiイオン電池の容量推定方法を具体的に実施する方法の一例について概説する。
【0049】
図2は上記方法を実施する充電制御回路の一概念を示したものであり、図中、1は充電制御回路、2は判定の対象となるLiイオン電池、3は充電制御用マイコン、4は電源マイコン、5はスイッチ、6はサーミスタ、7は異常出力検出端子、8は電池接続プラス端子、9は電池接続マイナス端子、10は電源接続プラス端子、そして11は電源接続マイナス端子である。
【0050】
本発明の容量推定方法を実現するためには、タイマーによる時間計測と充電電流値Itの測定が必要となるが、タイマーはもともと充電制御用マイコン3などに搭載され、また電流値It異常出力検出端子7などを利用してモニタが可能であり、充電制御用マイコン3などの空きメモリを用いて、上記関係式(1)、(2)または(3)の演算処理を行えばよく、何らの付加部品を必要とすることなく、本発明に基づく容量推定を実施することが可能である。ただし、該容量推定が実施できれば何らこれに限定されることはない。
【0051】
本発明に係るLiイオン電池の容量推定方法は、上述のように、搭載機器本体に機能を付与して実施することが可能であるが、該容量推定の実施のために、販売するLiイオン電池パック内の安全機構内に具備することができる。以下に具体的な安全回路図を用いて説明する。
【0052】
図3はLiイオン電池パックの一般的な回路構成を示した図であり、Liイオン電池を3セル直列に搭載した場合である。
【0053】
図3において、12は電池パック本体、13−1、13−2、13−3はLiイオン電池である。14は保護用ICで、電圧、電流、温度などのモニタ、ソフト的な安全制御を行う。15−A、15−B、15−C、15−1、15−2、15−3はパック内、および各電池の充電電流制御を目的とするFETであり、16は温度ヒューズであるPTC素子、17は電流ヒューズで、それぞれ温度上昇時、異常大電流時に電流を遮断する役目を負う。18はプラス端子、19はマイナス端子、20は情報出力、コントロールのための端子である。
【0054】
図3において、該安全機構の保護用IC14内にタイマーを搭載し、空きメモリに上記に示した充電電流値Itと放電容量Ctとの関係式(1)をあらかじめ入力しておき、定電流(CC)から定電圧(CV)に充電モードが変更されてから30秒以上、30分以内の範囲内の所定の経過時間tにおける充電電流値Itを15−A、15−B、あるいは各電池ごとに15−1、15−2、および15−3のFETでモニタし、モニタされた充電電流値Itを代入して演算する。必要ならば、保護用IC14とは別にパック内の適当な位置に増設ICを設けることもできる。演算した結果は端子20を通して適当なディスプレイ、あるいは警告音などに表示、発出するために装置本体に出力する。
【0055】
このように、既存のLiイオン電池パックの最小限の変更によって、容量推定の機能、たとえば本発明に係る容量推定の機能を具備したLiイオン電池パックを提供できる。ただし、上記概念になるLiイオン電池の容量推定が実施できれば何ら上記の構成に限定されることはない。
【0056】
本発明に係るLiイオン電池の容量推定方法、および該容量推定機能を具備しだLiイオン電池パックの適用としては、特に高信頼性を必要とする機器が考えられ、該容量推定によって的確な電池の劣化状態を把握し、タイムリーな電池の交換を実現することによって、機器のトラブルを回避することができる。
【0057】
しかしながら、Liイオン電池を搭載する機器であれば、何ら該容量推定の方法、および容量推定機能を具備したLiイオン電池を採用することに問題はなく、しかもムダのない電池交換を実現することができるため、実用上の利点は極めて大きい。
【0058】
以下に本発明に係るLiイオン電池の容量推定方法について、さらに具体的な例によって説明するが、本発明は何らこれに限定されることはない。
(具体例1)
角形Liイオン電池(公称容量600mAh)を用意し、データ収集・保管機能を有する電池充放電装置を用いて、充電電流値600mA(充電電流率1C)、充電上限電圧4.1V、充電時間3時間の定電流定電圧(CC−CV)による充電と、放電電流値600mA(放電電流率1C)、放電終止電圧2.75Vの放電と、充電放電の間にそれぞれ1時間の休止をはさんだ充放電サイクルを10回繰り返し、各サイクルにおける定電流(CC)から定電圧(CV)に変更になってからの30秒以上、30分以内の任意の時間t(単位は分)における充電電流値It(単位はA)と、放電の容量を測定した。
【0059】
その結果係数aが
a=1.92×t−0.5 (5)
であり、係数bが
b=1.92×t−0.2 (6)
となる関係式
Ct/C=−a×It+b (7)
(ここに、Cはこの電池の公称容量である)が求まった。
【0060】
ちなみに、充放電サイクルの初期5サイクル分のデータを用いて上記(5)および(6)の関係式取得を試みたところ上記に示す定数と同じ値が得られたが、初期4サイクルのみのデータでは、ばらつきが大きく該関係式の取得には至らなかった。
【0061】
また、別に上記充放電条件のうち、充電時間のみを2時間として充放電サイクル試験を実施したが、充電電流Itと放電容量との間に直線関係が得られず式(7)が求められなかった。
【0062】
別に同種の角形Liイオン電池(公称容量600mAh)を試験電池として、データ収集・保管機能を有する電池充放電装置を用い、充電電流値600mA、充電上限電圧4.1V、充電時間7日間(168時間)の定電流定電圧(CC−CV)による充電と、放電電流値600mA、放電終止電圧2.75Vの放電と、充電放電の間にそれぞれ1時間の休止をはさんだ充放電サイクル試験を行い、各サイクルにおける容量Cと、CVモードに変化してからの一定時間t後の充電電流値Itを測定して上記関係式(7)の妥当性を検討した。
【0063】
結果を図4に示す。
【0064】
図4は、各サイクルごとの試験電池の放電容量C 公称容量Cに対する比(C/C、図中、公称容量比Cと表示)と定電圧充電開始5分後の充電電流値It(図中、Iと表示)との関係を示した図である。図4には、測定容量Cと公称容量Cとから求めた劣化度の尺度も併せて示しておいた。なお、図中実線は上記関係式(7)を示している。
【0065】
すなわち、t=5であるから、(5)のaは、a=0.86、(6)のbは、b=1.39となり、容量推定式は、Ct/CをCで表して、
=−0.86×I+1.39 (8)
となった。
【0066】
また、図4中2本の破線は、上記判定式(8)によって算出された推定容量値Cの、実容量Cに対する値として、
Err(%)=100×(C−C) (9)
によって求まる±5%に相当する推定容量Cの値を示している。
【0067】
図4の結果から明らかなように、本発明に係る容量推定方法に従うと、誤差±5%以内の極めて良好な精度でLiイオン電池の劣化状態を判定することができる。
(具体例2)
具体例1に用いたのと同種の携帯電話に搭載されていた角形Liイオン電池(公称容量600mAh)を回収して、データ収集・保管機能を有する電池充放電装置を用いて、充電電流値600mA(充電電流率1C)、充電上限電圧4.1V、充電時間3時間の定電流定電圧(CC−CV)による充電、1時間の休止、放電電流値600mA(放電電流率1C)、放電終止電圧2.75Vの放電、1時間の休止を1サイクルとする充放電を2サイクル実施した。2サイクル目の充電における、モードが定電流(CC)から定電圧(CV)に変更されてから35分後に至る各時間tにおける充電電流値Itと、2サイクル目の放電容量を公称容量Cで割った値をCとし、具体例1で求めた本発明における判定式(7)を用いて、推定容量Ctを公称容量Cで割った値(Ct/C、これをCで表す)と比較して判定精度を検討した。判定精度は推定値Cの、実測値Cからのずれを、上記と同様に、
Err(%)=100×(C−C) (9’)
により、誤差の大きさで評価した。
【0068】
結果を図5に示す。
【0069】
図5は、CV充電開始後35分に至るまでの各時間tにおける充電電流値Itと、上記式(9’)によって算出した誤差の平均値、最大誤差の絶対値、最小誤差の絶対値との関係を示した図である。
【0070】
図5から明らかなように、CV充電開始0.5分後から30分後までの誤差は、実使用上問題のない±20%以内に収まっており、さらに、0.5分後から20分後までの誤差は±6%以内に収まっており、本発明における容量推定方法が優れた判定精度をもたらすことを示している。
【0071】
CV充電開始後0.5分より短時間であると、判定精度が±20%の範囲外となり誤差が大きくなって実使用上問題となることがわかった。例えば、CV充電開始後0.33分(20秒)後における該容量推定式(7)、および誤差を求める(9’)式に基づく結果では、最大誤差(絶対値)29%、最小誤差(絶対値)0.19%、平均誤差+26%であった。従って、CV充電開始後0.5分未満における測定は、この算出方式に関するかぎりは、好ましくないことが明らかになった。
【0072】
また、CV充電開始後30分を越えると同様に判定精度が±20%以内の範囲の外になり、誤差が大きくなって実使用上問題となることがわかった。
【0073】
その理由として、CV充電開始後30分より長い経過時間では容量と充電電流値との間に直線関係が成立しなくなることが認められた。一例として図6に、具体例1において関係式(5)、(6)、(7)を求める際に行った充放電サイクル試験において参考のために取得したCV充電開始後31分の結果を示した。図6は、CV充電開始後31分における充電電流値I31(A)と放電容量Cとの関係を示した図であり、図中実線はt=31における容量推定式(7)を、また2本の破線は式(9’)から求まる誤差±20%の場合の推定容量C31の値を示している。
【0074】
図6に示すように、CV充電開始後30分を超えると、放電容量Cと充電電流値Itとは直線関係からはずれ、本発明における簡単な容量推定式で示すことができず、複雑な高次式を必要として該Liイオン電池の容量推定に伴う部品、装置の価格の上昇を招くおそれがあることがわかった。
(具体例3)
具体例1と同種のLiイオン電池(公称容量600mAh)3セルと、安全保護機能をもち、保護用ICにタイマーと上記具体例1の関係式(5)、(6)、(7)とその演算機能をあらかじめ入力したICとを具備した、図3に示す構成のLiイオン電池パックを作製した。
【0075】
IC14は、充電において、定電流(CC)から定電圧(CV)に変更した10分後の充電電流値I10(A)をモニタするよう設定し、充電電流値I10に対する本発明における容量推定式は
10=−0.61×I10+1.21 (10)
となることを確認した。
【0076】
この電池パックをデータ収集、管理機能を有する充放電試験装置に設置し、充電電流値600mA(充電電流率1C)、充電上限電圧4.1V、充電時間10日間の定電流定電圧(CC−CV)による充電と、放電電流値600mA(放電電流率1C)、放電終止電圧2.75Vの放電と、充電放電の間にそれぞれ1時間の休止をはさんだ充放電サイクルを15回繰り返し、定電流(CC)から定電圧(CV)に変更した10分後の充電電流値I10と、放電の実測容量値Cとを測定し、Cを公称容量Cで割ってCとした。
【0077】
結果を図7に示す。
【0078】
すなわち、図7は、具体例3における充電電流値I10と放電容量Cとの関係を示した図である。図中、実線は上記判定式(10)のI10とC10の関係を示した直線であり、2本の破線は具体例2に示した式(9’)に基づくt=10の誤差±5%の場合のI10とC10との関係を示した直線である。
【0079】
図7に明らかなように、本発明における容量推定機能を具備しだLiイオン電池パックでは、±5%以内の誤差範囲に容量Cが収まっており、本発明が高精度な容量推定を実現できるLiイオン電池パックを提供できることがわかった。
【0080】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明実施によって、Liイオン電池の劣化を判定するために必須となる、Liイオン電池の容量推定を簡便に行う方法を提供することができ、実用上、極めて大きな貢献を果たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】リチウムイオン電池の一般的な充電方法である定電流定電圧(CC−CV)方式による電池電圧と充電電流値の変化の概念を説明した図である。
【図2】本発明におけるリチウムイオン電池の容量推定方法を具体的に適用する充電制御回路構成の概念ブロック図である。
【図3】本発明における容量推定機能を具備したLiイオン電池パックの一構成例を示す図である。
【図4】本発明の具体例1における試験結果を示した充電電流値と放電容量の関係を示す図である。
【図5】本発明の具体例2における試験結果を示した測定時間と判定誤差の関係を示す図である。
【図6】本発明の具体例2における試験結果を示した充電電流値と放電容量の関係を示す図である。
【図7】本発明の具体例3における試験結果を示した充電電流値と放電容量の関係を示す図である。
【符号の説明】
1…充電制御回路、2…電池、3…充電制御用マイコン、4…電源マイコン、5…スイッチ、6…サーミスタ、7…異常出力検出端子、8…電池接続プラス端子、9…電池接続マイナス端子、10…電源接続プラス端子、11…電源接続マイナス端子、12…電池パック本体、13−1、13−2、13−3…Liイオン電池、14…保護用IC、15−A、15−B、15−C、15−1、15−2、15−3…FET、16…PTC素子、17…電流ヒューズ、18…プラス端子、19…マイナス端子、20…情報出力、コントロールのための端子。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a lithium ion battery, and more particularly to a method for estimating the capacity of a lithium ion battery.To the lawIt is related.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the demand for batteries has increased due to the downsizing, high performance, and portability of various electronic devices. Accordingly, the improvement and development of batteries are becoming increasingly active. New application areas for batteries are also expanding.
[0003]
With the spread of batteries, there is an increasing demand for improving the reliability of these batteries. In particular, nickel-metal hydride batteries (hereinafter referred to as Ni / MH batteries) and lithium ion batteries (hereinafter referred to as Ni / MH batteries), which have a significantly higher energy density than conventional lead batteries and nickel cadmium batteries (hereinafter referred to as Ni / Cd batteries). In Li-ion batteries), the degree of damage caused by an accident can become more serious, so ensuring reliability is an important issue.
[0004]
As one of the reliability, grasping an accurate deterioration state of the on-board battery and timely battery replacement can be mentioned. For high energy density batteries such as Ni / MH batteries and Li-ion batteries, the smart battery system (SBS) proposed by Intel and Duracell in 1994 is a battery management system that includes charge control and remaining capacity determination. It has become popular with improvements (see www.sbs-forum. Or).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, for battery degradation, these battery controls / managements are based on a huge amount of information data management that constantly monitors battery current, voltage, temperature, etc., as well as information on manufacturers, battery types, etc. The price of the product has soared in an extremely expensive method.
[0006]
In addition, SBS is control and management of battery charge control, remaining capacity, etc., and does not have a function of grasping the deterioration state of the battery, and replacement of the battery or battery pack depends on the intuition of the user. Was the current situation.
[0007]
Aside from SBS, a control / management system for Li-ion batteries (InfoLithium) mounted on Sony video cameras has been proposed, but, like SBS, it did not have a deterioration determination function.
[0008]
Therefore, if a method for simply estimating the capacity of a Li-ion battery is established, whether or not the battery has deteriorated depends on whether the capacity estimated by the method is larger or smaller than a preset limit capacity. The effect of the method is extremely large.
[0009]
  The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a method for simply estimating the capacity of a Li ion battery, which is essential for determining deterioration of the Li ion battery.Andis there.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, in the present invention, as described in claim 1,
  It is a method for estimating the capacity of a lithium ion battery.RWhen charging the lithium ion battery by the constant current constant voltage method, from the time when the charging condition is switched from constant current to constant voltageThe charging current value It at the time when 30 seconds or more and the time t within 30 minutes have elapsed is obtained, and the estimated capacity Ct of the lithium ion battery is calculated using the charging current value It as a relational expression,
    Ct / C 0 = −a × It + b                              (1)
(Here, C 0 Is a nominal capacity of the lithium ion battery, and a and b are positive value constants determined by the lithium ion battery and the time t). A charging period by a constant current constant voltage method in which a total charging time is 3 hours or more and within one month using a lithium ion battery or the same type of lithium ion battery as From the time when the charge condition is switched from a constant current to a constant voltage in each cycle by repeating a charge / discharge cycle having a pause period provided between the charge period and the discharge period as required five or more times. The elapsed time t at a plurality of time points such that the elapsed time is within a range of 30 seconds or longer and within 30 minutes ni (Where n is a number given to each cycle, i is a number given to each time point in each cycle) and the charging current value It ni , And the discharge capacity C obtained by integrating the discharge current with respect to time for each cycle. n And the recorded elapsed time t ni And the charging current value It ni And the discharge capacity C n From the above, the values of a and b in the relational expression (1) are determined.The capacity | capacitance estimation method of the lithium ion battery characterized by the above is comprised.
[0011]
  In the present invention, as described in claim 2,
  It is a method for estimating the capacity of a lithium ion battery.RWhen charging the lithium ion battery by the constant current constant voltage method, the charging current value It at the time when the time t within 30 minutes has elapsed for 30 seconds or more from when the charging condition is switched from constant current to constant voltage is obtained. And using the charging current value It, the estimated capacity Ct of the lithium ion battery is expressed by a relational expression:
    Ct / C0= −a × It + b (1)
(Here, C0Is a nominal capacity of the lithium ion battery, and a and b are positive constants determined by the lithium ion battery and the time t).A capacity estimation method for a lithium ion battery, wherein the values of a and b in the relational expression (1) are expressed as a function of the time t,
    a = d × t e                                             (2)
    b = f × t h                                             (3)
(Where d, e, f, h are constants determined by the lithium ion battery, and 0 <d, e <0, 0 <f, h <0). A constant current and constant voltage method using a lithium ion battery whose capacity is to be estimated or a lithium ion battery of the same type as the lithium ion battery, wherein the total charge time for one time is 3 hours or more and 1 month or less A charge / discharge cycle having a charging period, a discharging period, and a pause period provided between the charging period and the discharging period as necessary is repeated five times or more, and the charging condition is set to a constant current in each cycle. The elapsed time t at a plurality of time points such that the elapsed time from the time when the voltage is switched to the constant voltage is within a range of 30 seconds or more and 30 minutes or less. ni (Where n is a number given to each cycle, i is a number given to each time point in each cycle) and the charging current value It ni , And the discharge capacity C obtained by integrating the discharge current with respect to time for each cycle. n And the recorded elapsed time t ni And the charging current value It ni And the discharge capacity C n From these, the values of d, e, f, and h in the above relational expressions (2) and (3) are determined.The capacity | capacitance estimation method of the lithium ion battery characterized by the above is comprised.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The Li-ion battery capacity estimation method according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. In the following description, a “battery pack” refers to a single battery or a plurality of single batteries connected in series, parallel, or a combination of both, integrated with a safety control circuit or charge / discharge control circuit. It means “secondary battery as an independent power source”.
[0018]
FIG. 1 is a diagram showing changes over time in battery voltage and current value during charging of a Li-ion battery. In FIG. 1, the battery or the Li ion battery in the battery pack (hereinafter collectively referred to as a Li ion battery) is first set in a constant current (CC) mode to an upper limit set in advance at a predetermined constant current value. After charging to voltage V1 (usually 4.1V / cell or 4.2V / cell, where “cell” means a single cell), after the voltage of the Li-ion battery reaches the set voltage V1 Then, charging in the constant voltage (CV) mode is started.
[0019]
When charging by such a constant current / constant voltage method, the current value It when a predetermined time t has elapsed since the charging condition was switched from the constant current mode to the constant voltage mode is calculated. If the capacity is constant, the current value It is also constant. However, when the time t is within a certain range, the current value It increases as the battery capacity decreases.
[0020]
The inventors of the present invention have found a remarkable correlation between the above-described decrease in capacity and increase in current, and have made the present invention.
[0021]
  Embodiments of the present invention will be specifically described below.
  In the present inventionWhen charging a lithium-ion battery subject to capacity capacity estimation using the constant current / constant voltage method, the charging current value at the time when a preset time has elapsed from when the charging condition was switched from constant current to constant voltage The capacity of the lithium ion battery is estimated using the charging current value.
[0022]
  In order to enable such estimation, a lithium ion battery having the same structure and the same specification as the target of capacity estimation (referred to as the same type in this specification), the capacity thereof Prepare a plurality of different ones (depending on the cause of repeated use, etc.), use them to repeat the charge / discharge cycle, measure the charge current value at the above point, and determine the battery capacity and the charge current value from the results. Find the correlation with. The correlation at this time does not necessarily need to be expressed by an analytical mathematical expression, and may be expressed by a broken line connecting the measurement points in the correlation diagram with a straight line.However, in the present invention, only the case where the above correlation is expressed by an analytical mathematical expression is targeted..
[0023]
  furtherWhen a linear relationship (linear function relationship) is adopted as the correlation, there is a preferable range for the above time. As shown in specific example 2 described later (particularly FIG. 5), a preferable range of the above time that causes only a small error is 30 seconds or more and 30 minutes or less, and a more preferable range is 30 seconds or more and 20 minutes or less. is there.
[0024]
  In this embodiment,above“Preset time” is t, and the time t is 30 seconds or more and 30 minutes or less. Under such restrictions, the relational expression (1), that is, the estimated capacity Ct of the battery and the charging current value It,
    Ct / C0= −a × It + b (1)
(Here, C0Is a nominal capacity of the lithium ion battery, and a and b are positive constants determined by the lithium ion battery and the time t), which is practically convenient. As shown in specific example 2 (particularly FIG. 5) to be described later, a preferable range of the time t that causes only a small error is 30 seconds or more and 30 minutes or less, and a more preferable range is 30 seconds or more and 20 minutes or less. It is.
[0025]
In addition, at a time point of less than 30 seconds after the start of CV mode charging, there is a case where the variation in the charging current value becomes large, and it is not always possible to accurately estimate the capacity. In addition, when the time exceeds 30 minutes after the start, the relationship between the charging current value and the capacity changes, and the relational expression becomes complicated by deviating from a simple linear relationship.
[0026]
Monitoring for obtaining the current value It is performed several times every 10 μs, for example, and a method of selecting an intermediate value or selecting an average value is preferable as a method of suppressing erroneous recognition due to noise. However, the monitoring method is not limited as long as the capacity estimation method according to the present invention can be implemented.
[0027]
  The estimated capacity Ct of the battery is calculated by the relational expression (1) using the current value It. At this time, it is necessary to know the values of a and b in the relational expression (1).See belowThere is a way.
[0028]
  When determining the deterioration of the battery from the estimated capacity Ct, the nominal capacity C0Relational expression for
  Deg (%) = 100 × (1-Ct / C0(4)
The deterioration degree Deg (%) is calculated by the above, and when the deterioration degree Deg (%) becomes larger than a predetermined limit value, it can be determined that the battery has deteriorated..
[0029]
  Also, The values of a and b in the relational expression (1) are the relational expressions (2) and (3), that is,
    a = d × te                                            (2)
    b = f × th                                            (3)
(Where d, e, f, and h are constants determined by the lithium ion battery, and 0 <d, e <0, 0 <f, h <0).May.
[0030]
  At this time, it is necessary to know the values of d, e, f, and h in the above relational expressions (2) and (3).See belowThere is a way.
[0031]
For many cases, the values of d, e, f, and h were obtained. When the unit of It is A and the unit of t is minutes, these values are:
1.4 ≦ d ≦ 2.2
−0.7 ≦ e ≦ −0.3
1.4 ≦ f ≦ 2.2
−0.25 ≦ h ≦ −0.15
Was found to satisfy.
[0032]
In addition, in the relational expression (1), it is claimed that the charging current value It satisfies a condition that monotonously decreases as the time t increases in the same battery having an arbitrary estimated capacity value Ct.
[0033]
The reason why the coefficients a and b in the relational expression (1) are a function of the measurement time t is that, when charging in the constant current (CV) mode, the current value depends on the diffusion of Li into the active material. It has been known. If the in-solid diffusion of Li into the active material is according to Fick's first law, the current value I is related to the time t from the start of the CV mode.
I = KnF [(Δc) / t1/2]
(Where K is a constant, Δc is a value corresponding to the concentration gradient of Li in the solid, n is an electrochemical equivalent, and F is a Faraday constant).
[0034]
However, since there are various factors in reality, it can be a more complicated function of t. The constants a and b of the deterioration judgment formula (1) in the present invention can be obtained by measuring the current value It at an arbitrary time t with 0.5 ≦ t ≦ 30. Therefore, it is a high-order function of the measurement time t.
[0035]
With values other than the constant conditions shown above, the current value It takes a negative value in a very short time within one minute, or the charging current value It has a maximum value at a certain time t. In practice, it is not always possible to specifically express the change in the charging current of the Li-ion battery by a formula.
[0036]
  Note that the estimated capacity Ct shown in the relational expression (1) is a capacity at the time of complete discharge discharged from a fully charged state to a predetermined lower limit voltage, and does not indicate a discharge capacity up to an arbitrary voltage in the middle. Absent.
  BookIn the embodiment,By the following method,The values of a and b in the above relational expression (1) or the values of d, e, f and h in the above relational expressions (2) and (3) are determined, and the determined values are used.Estimating lithium-ion battery capacity. That is,
  Using the same type of lithium ion battery as the target of capacity estimation or the lithium ion battery,
  A charging period according to a constant current constant voltage method in which a total charging time for one time is 3 hours or more and within one month, a discharging period, and a pause period provided between the charging period and the discharging period as necessary And repeating the charge / discharge cycle having 5 or more times,
  In each cycle, the elapsed time t at a plurality of time points such that the elapsed time from when the charging condition is switched from constant current to constant voltage is within a range of 30 seconds or more and 30 minutes or less.ni(Where n is a number given to each cycle, i is a number given to each time point in each cycle) and the charging current value Itni, And the discharge capacity C obtained by integrating the discharge current with respect to time for each cycle.nAnd the recorded elapsed time tniAnd the charging current value ItniAnd the discharge capacity CnFrom the above, the values of a and b in the relational expression (1) or the values of d, e, f and h in the relational expressions (2) and (3) are determined, and the determined values are used.Estimating lithium-ion battery capacity.
[0037]
For the determination of the above numerical values, a successive approximation method, a least square method, or the like may be used.
[0038]
Specific charging / discharging cycles include the following. That is,
Using the Li ion battery or the same type of Li ion battery that is the target of capacity estimation,
A constant current and a constant voltage under a charge upper limit voltage setting that is recommended as a charge condition or a condition in which a battery is installed or a charger to be used, which is a charge current value that results in a charge rate of 0.5C or more and 2C or less (CC-CV) method, a charging period with a charging time of 3 hours to 1 month,
A discharge current value that results in a discharge rate of 0.2C or more and 2C or less, or a discharge period that is recommended as a discharge condition, or under a discharge end voltage condition setting specified by a battery-mounted device or a charger to be used ,
A charge / discharge cycle having a pause period provided between the charge period and the discharge period as necessary is defined as a charge / discharge cycle for capacity estimation.
[0039]
When the charging current value exceeds 2C, it exceeds the normal operating current, damages the battery, and an accurate deterioration judgment formula cannot be constructed. In addition, a low charge rate of less than 0.5 C is not preferable because it takes too much time to construct a deterioration determination formula.
[0040]
If the charging time of each cycle is less than 3 hours, there is a possibility that charging may be insufficient when the Li-ion battery is deteriorated, which will provide a deterioration determination formula that is difficult to accurately determine deterioration. Absent.
[0041]
In addition, if the charging time exceeds one month, it takes an enormous amount of time to construct the deterioration judgment formula, which is not preferable.
[0042]
Moreover, in order to obtain | require this degradation determination formula, in order to determine the coefficient, the charging / discharging cycle used as the said conditions is implemented at least 5 cycles or more. Since the deterioration judgment formula (1) according to the present invention is a linear function, it is possible to determine the coefficient using data of at least two cycles. However, in actuality, if the data is four cycles or less due to an error in reading the current value, etc. The error exceeds ± 20%, which is not preferable. In order to ensure a determination accuracy within ± 20%, it is preferable to acquire data for at least 5 cycles. Furthermore, the measurement of the current value It in each cycle of three or more cycles that is the target of data acquisition is performed at two different points of time that have elapsed since the change to the CV mode, and the respective coefficients d describing the constants a and b. , E, f, and h are difficult to determine.
[0043]
  In the Li-ion battery capacity estimation method according to the present invention, the relational expression (1) is preferably obtained at 10 ° C. or higher and 45 ° C. or lower. Under a low temperature of less than 10 ° C., a linear relationship is not established between the capacity Ct and the charging current value It as in the relational expression (1). Moreover, at a temperature higher than 45 ° C., it does not become compatible with the operating temperature range of the Li ion battery. Further, the capacity estimation is performed at an environmental temperature within a range of ± 10 ° C. and within a range of 10 ° C. or higher and 45 ° C. or lower with respect to the environmental temperature when the relational expression (1) is obtained. It is desirable. When the environmental temperature is higher than + 10 ° C. and lower than −10 ° C. from the temperature at which the relational expression is obtained, the value of the charging current value is different, making it difficult to accurately estimate the capacity.
[0044]
(Reference Example 1)
  BookReference exampleIn
  Use of a lithium ion battery pack having a safety ensuring means with a built-in IC, and calculate the estimated capacity value of the lithium ion battery in the lithium ion battery pack to the IC or an IC attached to the IC and expanded. An empty memory for storing a numerical value to be used; and an arithmetic circuit for calculating the estimated capacity value from the numerical value and a charging current value during charging of the lithium ion battery when the numerical value is stored in the empty memory; A lithium ion battery pack is provided.
[0045]
In such a lithium ion battery pack, when the lithium ion battery in the pack is charged, the estimated capacity value of the battery is calculated, and the value is obtained via the connection terminal of the IC to the outside. The battery pack may be provided with a means for outputting a warning indicating capacity deterioration when the estimated capacity value is smaller than a preset limit capacity value. . As this warning, a warning by displaying characters or images, a warning by signal sound, a warning by voice, or the like is used.
[0046]
  Further, as a method of calculating the estimated capacity value of the lithium ion battery from the charging current value during charging of the lithium ion battery and other numerical values, for example, claim 1Or 2The method for estimating the capacity of a lithium ion battery described in 1) can be used.
[0047]
As is clear from the above description of the embodiment, the Li-ion battery capacity estimation method according to the present invention is an extremely simple method, and it is possible to easily and easily reduce the capacity deterioration of the Li-ion battery. Judgment can be made and a remarkable practical effect appears.
[0048]
  Also,Described in Reference Example 1 aboveIn the Li-ion battery pack, the capacity of the battery in the battery pack can be estimated simply by using the battery pack, thereby automatically determining the capacity deterioration of the battery. Therefore, the practical effect is extremely large.
(Specific examples of implementation)
  Next, an example of a method for concretely implementing the method for estimating the capacity of a Li ion battery according to the present invention will be outlined.
[0049]
FIG. 2 shows a concept of a charge control circuit for performing the above method. In the figure, 1 is a charge control circuit, 2 is a Li-ion battery to be determined, 3 is a microcomputer for charge control, 4 is Power supply microcomputer, 5 is a switch, 6 is a thermistor, 7 is an abnormal output detection terminal, 8 is a battery connection positive terminal, 9 is a battery connection negative terminal, 10 is a power supply connection positive terminal, and 11 is a power supply connection negative terminal.
[0050]
In order to realize the capacity estimation method of the present invention, time measurement by a timer and measurement of the charging current value It are necessary. However, the timer is originally mounted on the charging control microcomputer 3 and the current value It abnormal output detection is performed. It is possible to monitor using the terminal 7 or the like, and the arithmetic processing of the above relational expression (1), (2) or (3) may be performed using an empty memory such as the microcomputer 3 for charge control. It is possible to perform capacity estimation according to the present invention without the need for additional components. However, there is no limitation to this as long as the capacity estimation can be performed.
[0051]
As described above, the capacity estimation method for a Li-ion battery according to the present invention can be implemented with a function added to the main body of the mounted device. It can be provided in a safety mechanism in the pack. This will be described below using a specific safety circuit diagram.
[0052]
FIG. 3 is a diagram showing a general circuit configuration of a Li-ion battery pack, in which three Li-ion batteries are mounted in series.
[0053]
In FIG. 3, 12 is a battery pack body, and 13-1, 13-2, and 13-3 are Li ion batteries. A protection IC 14 monitors voltage, current, temperature, etc. and performs software safety control. 15-A, 15-B, 15-C, 15-1, 15-2, 15-3 are FETs for controlling charging current in the pack and each battery, and 16 is a PTC element that is a thermal fuse , 17 are current fuses, each of which plays a role of cutting off the current when the temperature rises and when the current is abnormally large. 18 is a plus terminal, 19 is a minus terminal, and 20 is a terminal for outputting and controlling information.
[0054]
In FIG. 3, a timer is mounted in the protection IC 14 of the safety mechanism, and the relational expression (1) between the charge current value It and the discharge capacity Ct shown above is input in advance to a free memory, and a constant current ( The charge current value It at 15-A, 15-B, or each battery at a predetermined elapsed time t within a range of 30 seconds or more and 30 minutes or more after the charge mode is changed from CC) to constant voltage (CV) Are monitored by FETs 15-1, 15-2, and 15-3, and the calculated charging current value It is substituted for calculation. If necessary, an additional IC can be provided at an appropriate position in the pack separately from the protection IC 14. The calculated result is output to the apparatus main body for display and emission on an appropriate display or warning sound through the terminal 20.
[0055]
As described above, a Li-ion battery pack having a capacity estimation function, for example, a capacity estimation function according to the present invention, can be provided by a minimum change of the existing Li-ion battery pack. However, the present invention is not limited to the above configuration as long as the capacity of the Li ion battery can be estimated.
[0056]
As a method for estimating the capacity of a Li-ion battery according to the present invention and the application of a Li-ion battery pack having the capacity estimation function, a device that particularly requires high reliability is conceivable. By grasping the deterioration state of the battery and realizing timely battery replacement, troubles in the device can be avoided.
[0057]
However, as long as the device is equipped with a Li-ion battery, there is no problem in adopting the Li-ion battery having the capacity estimation method and the capacity estimation function, and it is possible to realize battery replacement without waste. As a result, the practical advantages are extremely large.
[0058]
Although the capacity | capacitance estimation method of the Li ion battery which concerns on this invention is demonstrated by a more specific example below, this invention is not limited to this at all.
(Specific example 1)
A prismatic Li-ion battery (nominal capacity 600 mAh) is prepared, and using a battery charging / discharging device having a data collection / storage function, a charging current value 600 mA (charging current rate 1 C), a charging upper limit voltage 4.1 V, and a charging time 3 hours Charging / discharging with a constant current constant voltage (CC-CV), discharge current value 600mA (discharge current rate 1C), discharge end voltage 2.75V, and charging / discharging each with 1 hour rest The cycle is repeated 10 times, and the charging current value It (at an arbitrary time t (in minutes) within 30 seconds and 30 minutes after changing from the constant current (CC) to the constant voltage (CV) in each cycle. The unit was A), and the discharge capacity was measured.
[0059]
As a result, the coefficient a is
a = 1.92 × t-0.5                                    (5)
And the coefficient b is
b = 1.92 × t-0.2                                    (6)
Relational expression
Ct / C0= −a × It + b (7)
(Here, C0Is the nominal capacity of this battery.
[0060]
By the way, when trying to obtain the relational expressions (5) and (6) above using the data for the initial 5 cycles of the charge / discharge cycle, the same value as the constant shown above was obtained, but the data for only the initial 4 cycles. However, the variation was so large that the relational expression could not be obtained.
[0061]
In addition, among the above charge / discharge conditions, a charge / discharge cycle test was performed with only the charge time being 2 hours, but a linear relationship was not obtained between the charge current It and the discharge capacity, and equation (7) was not obtained. It was.
[0062]
Separately, a rectangular Li-ion battery of the same kind (nominal capacity 600 mAh) was used as a test battery, and a battery charging / discharging device having a data collection / storage function was used. Charging current value 600 mA, charging upper limit voltage 4.1 V, charging time 7 days (168 hours ) With a constant current constant voltage (CC-CV), a discharge current value of 600 mA, a discharge with a final discharge voltage of 2.75 V, and a charge / discharge cycle test with a pause of 1 hour between each charge and discharge, Capacity C in each cyclenThen, the validity of the relational expression (7) was examined by measuring the charging current value It after a predetermined time t after the change to the CV mode.
[0063]
The results are shown in FIG.
[0064]
  Figure 4 shows the discharge capacity of the test battery for each cycle.Amount C n ofNominal capacity C0Ratio to (Cn/ C0In the figure, nominal capacity ratio CmAnd charging current value It (in the figure, I5And display). FIG. 4 shows the measured capacity CnAnd nominal capacity C0The scale of deterioration obtained from the above is also shown. In the figure, the solid line indicates the relational expression (7).
[0065]
That is, since t = 5, a in (5) is a = 0.86, b in (6) is b = 1.39, and the capacity estimation formula is Ct / C0C5Represented by
C5= -0.86 x I5+1.39 (8)
It became.
[0066]
In addition, the two broken lines in FIG. 4 indicate the estimated capacity value C calculated by the determination formula (8).5Actual capacity CmAs a value for
Err (%) = 100 × (C5-Cm(9)
Estimated capacity C corresponding to ± 5%5The value of is shown.
[0067]
As is apparent from the results of FIG. 4, according to the capacity estimation method according to the present invention, it is possible to determine the deterioration state of the Li ion battery with very good accuracy within an error of ± 5%.
(Specific example 2)
A rectangular Li-ion battery (nominal capacity 600 mAh) mounted on the same type of mobile phone as used in Example 1 is collected, and a charging current value of 600 mA is obtained using a battery charging / discharging device having a data collection / storage function. (Charging current rate 1C), charging upper limit voltage 4.1V, charging with constant current constant voltage (CC-CV) for 3 hours charging time, rest for 1 hour, discharge current value 600mA (discharge current rate 1C), discharge end voltage Two cycles of charging and discharging were performed with a discharge of 2.75 V and a one hour rest as one cycle. The charging current value It at each time t, which is 35 minutes after the mode is changed from the constant current (CC) to the constant voltage (CV), and the discharge capacity at the second cycle are expressed as the nominal capacity C.0The value divided by C is CmAnd using the judgment formula (7) in the present invention obtained in the specific example 1, the estimated capacity Ct is changed to the nominal capacity C0Value divided by (Ct / C0, This is CtThe accuracy of the determination was examined in comparison with Judgment accuracy is estimated value CtMeasured value CmAs above, the deviation from
Err (%) = 100 × (Ct-Cm(9 ’)
Thus, the magnitude of the error was evaluated.
[0068]
The results are shown in FIG.
[0069]
FIG. 5 shows the charging current value It at each time t until 35 minutes after the start of CV charging, the average value of the error calculated by the above equation (9 ′), the absolute value of the maximum error, and the absolute value of the minimum error. FIG.
[0070]
As is apparent from FIG. 5, the error from 0.5 minutes to 30 minutes after the start of CV charging is within ± 20%, which is not a problem in actual use, and further, 20 minutes after 0.5 minutes. The error until later is within ± 6%, which indicates that the capacity estimation method of the present invention provides excellent determination accuracy.
[0071]
It was found that when the time is shorter than 0.5 minutes after the start of CV charging, the determination accuracy is out of the range of ± 20%, and the error becomes large, causing a problem in actual use. For example, in the result based on the capacity estimation equation (7) 0.33 minutes (20 seconds) after the start of CV charging and the equation (9 ′) for obtaining an error, the maximum error (absolute value) 29%, the minimum error ( (Absolute value) 0.19%, average error + 26%. Therefore, it became clear that measurement in less than 0.5 minutes after the start of CV charging is not preferable as far as this calculation method is concerned.
[0072]
Further, it has been found that if it exceeds 30 minutes after the start of CV charging, the determination accuracy falls outside the range within ± 20%, and the error becomes large, causing a problem in actual use.
[0073]
As a reason for this, it has been recognized that a linear relationship between the capacity and the charging current value does not hold at an elapsed time longer than 30 minutes after the start of CV charging. As an example, FIG. 6 shows the result of 31 minutes after the start of CV charging, which was obtained for reference in the charge / discharge cycle test performed when obtaining the relational expressions (5), (6), and (7) in Example 1. It was. FIG. 6 shows the charging current value I at 31 minutes after the start of CV charging.31(A) and discharge capacity CmIn the figure, the solid line indicates the capacity estimation formula (7) at t = 31, and the two broken lines indicate the estimated capacity C when the error is ± 20% obtained from the formula (9 ').31The value of is shown.
[0074]
As shown in FIG. 6, the discharge capacity C exceeds 30 minutes after the start of CV charging.mAnd the charging current value It deviate from the linear relationship, and cannot be represented by a simple capacity estimation formula in the present invention, and require complicated high-order formulas. It was found that there was a risk of rising.
(Specific example 3)
Li-ion battery of the same kind as in Example 1 (nominal capacity 600 mAh), 3 cells, a safety protection function, a protection IC with a timer and the relational expressions (5), (6), (7) in Example 1 above and its A Li-ion battery pack having the configuration shown in FIG. 3 was prepared, which was equipped with an IC in which a calculation function was input in advance.
[0075]
The IC 14 is charged with a charging current value I 10 minutes after changing from a constant current (CC) to a constant voltage (CV).10(A) is set to be monitored, and the charging current value I10The capacity estimation formula in the present invention for
C10= −0.61 × I10+1.21 (10)
It was confirmed that
[0076]
This battery pack is installed in a charging / discharging test apparatus having a data collection and management function, a charging current value of 600 mA (charging current rate of 1 C), a charging upper limit voltage of 4.1 V, and a constant current and constant voltage of 10 days (CC-CV). ), A discharge current value of 600 mA (discharge current rate 1 C), a discharge with a final discharge voltage of 2.75 V, and a charge / discharge cycle with a pause of 1 hour between each charge and discharge are repeated 15 times to obtain a constant current ( CC) charging current value I after 10 minutes from changing to constant voltage (CV)10And the measured capacitance value C of the dischargenAnd measure CnNominal capacity C0Divide by CmIt was.
[0077]
The results are shown in FIG.
[0078]
That is, FIG. 7 shows the charging current value I in the specific example 3.10And discharge capacity CmIt is the figure which showed the relationship. In the figure, the solid line represents I in the above-described determination formula (10).10And C10The two broken lines represent I in the case of an error of ± 5% at t = 10 based on the formula (9 ′) shown in the specific example 2.10And C10Is a straight line showing the relationship.
[0079]
As is apparent from FIG. 7, in the Li ion battery pack having the capacity estimation function according to the present invention, the capacity C is within an error range of ± 5%.mThus, it was found that the present invention can provide a Li-ion battery pack capable of realizing highly accurate capacity estimation.
[0080]
【The invention's effect】
  As described above, the present invention provides a method for simply estimating the capacity of a Li ion battery, which is essential for determining the deterioration of the Li ion battery.TogaAnd can make a significant contribution in practice.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the concept of changes in battery voltage and charging current value by a constant current constant voltage (CC-CV) system, which is a general charging method for lithium ion batteries.
FIG. 2 is a conceptual block diagram of a charge control circuit configuration to which the lithium ion battery capacity estimation method according to the present invention is specifically applied.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a Li ion battery pack having a capacity estimation function according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a charge current value and a discharge capacity, showing a test result in Example 1 of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a measurement time and a determination error indicating a test result in a specific example 2 of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the charge current value and the discharge capacity, showing the test results in Example 2 of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the charge current value and the discharge capacity, showing the test results in Example 3 of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Charge control circuit, 2 ... Battery, 3 ... Charge control microcomputer, 4 ... Power supply microcomputer, 5 ... Switch, 6 ... Thermistor, 7 ... Abnormal output detection terminal, 8 ... Battery connection positive terminal, 9 ... Battery connection minus terminal DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Power supply positive terminal, 11 ... Power supply negative terminal, 12 ... Battery pack main body, 13-1, 13-2, 13-3 ... Li ion battery, 14 ... Protection IC, 15-A, 15-B , 15-C, 15-1, 15-2, 15-3... FET, 16... PTC element, 17... Current fuse, 18.

Claims (2)

リチウムイオン電池の容量を推定する方法であ、該リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点から30秒以上、30分以内の時間tだけ経過した時点における充電電流値Itを求め、該充電電流値Itを用いて該リチウムイオン電池の推定容量Ctを、関係式、
Ct/C=−a×It+b (1)
(ここに、Cは該リチウムイオン電池の公称容量であり、a、bは該リチウムイオン電池と該時間tとによって定まる正値定数である)によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であって、
容量推定の対象となるリチウムイオン電池あるいは該リチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、
1回の全充電時間が3時間以上、1か月以内である定電流定電圧方式による充電期間と、放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを5回以上繰り返して、
各サイクルにおいて、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点からの経過時間が30秒以上、30分以内の範囲内にあるような複数時点における該経過時間t ni (ここに、nは各サイクルに付した番号であり、iは各サイクル中の各時点に付した番号である)および上記充電電流値It ni 、ならびに、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量C を記録し、記録された該経過時間t ni と該充電電流値It ni と該放電容量C とから、上記関係式(1)におけるa、bの値を確定することを特徴とするリチウムイオン電池の容量推定方法。
Ri methods der to estimate the capacity of the lithium ion battery, the lithium-ion battery when charged by the constant current and constant voltage method, more than 30 seconds from the time of switching the charging condition from constant current to constant voltage, within 30 minutes A charging current value It at the time when time t has elapsed is obtained, and the estimated capacity Ct of the lithium ion battery is calculated using the charging current value It as a relational expression:
Ct / C 0 = −a × It + b (1)
(Here, C 0 is the nominal capacity of the lithium ion battery, a, b is a is a positive value constants determined by the said lithium ion battery and said time t) was a volume estimation method of the lithium ion battery be calculated by And
Using the same type of lithium ion battery as the target of capacity estimation or the lithium ion battery,
A charging period according to a constant current constant voltage method in which a total charging time for one time is 3 hours or more and within one month, a discharging period, and a pause period provided between the charging period and the discharging period as necessary And repeating the charge / discharge cycle having 5 or more times,
In each cycle, the elapsed time t ni at a plurality of time points where the elapsed time from the time when the charging condition is switched from constant current to constant voltage is in the range of 30 seconds or more and 30 minutes or less (where n is each A number given to each cycle, i being a number given to each time point in each cycle) and the charging current value It ni , and a discharge capacity C obtained by integrating the discharge current with respect to time for each cycle. lithium recording the n, and from the recorded the elapsed time t ni and the charging current value it ni and the discharge capacity C n, wherein the determining a, the value of b in the above equation (1) Ion battery capacity estimation method.
リチウムイオン電池の容量を推定する方法であり、該リチウムイオン電池を定電流定電圧方式によって充電する際に、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点から30秒以上、30分以内の時間tだけ経過した時点における充電電流値Itを求め、該充電電流値Itを用いて該リチウムイオン電池の推定容量Ctを、関係式、
Ct / =−a×It+b (1)
(ここに、C は該リチウムイオン電池の公称容量であり、a、bは該リチウムイオン電池と該時間tとによって定まる正値定数である)によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であり、
上記関係式(1)におけるa、bの値を、上記時間tの関数として、関係式、
a=d×t (2)
b=f×t (3)
(ここに、d、e、f、hは上記リチウムイオン電池によって定まる定数であり、0<d、e<0、0<f、h<0である)によって算出するリチウムイオン電池の容量推定方法であって、
容量推定の対象となるリチウムイオン電池あるいは該リチウムイオン電池と同一種類のリチウムイオン電池を用い、
1回の全充電時間が3時間以上、1か月以内である定電流定電圧方式による充電期間と、放電期間と、必要に応じて該充電期間と該放電期間との間に設けられる休止期間とを有する充放電サイクルを5回以上繰り返して、
各サイクルにおいて、充電条件を定電流から定電圧に切り替えた時点からの経過時間が30秒以上、30分以内の範囲内にあるような複数時点における該経過時間t ni (ここに、nは各サイクルに付した番号であり、iは各サイクル中の各時点に付した番号である)および上記充電電流値It ni 、ならびに、各サイクルごとに放電電流を時間に関して積分して得られる放電容量C を記録し、記録された該経過時間t ni と該充電電流値It ni と該放電容量C とから、上記関係式(2)、(3)におけるd、e、f、hの値を確定することを特徴とするリチウムイオン電池の容量推定方法。
It is a method for estimating the capacity of a lithium ion battery, and when charging the lithium ion battery by a constant current constant voltage method, it takes 30 seconds or more and 30 minutes or less from when the charging condition is switched from constant current to constant voltage. The charging current value It at the time when t has elapsed is obtained, and the estimated capacity Ct of the lithium ion battery using the charging current value It is expressed by a relational expression:
Ct / C 0 = −a × It + b (1)
(Where C 0 is the nominal capacity of the lithium ion battery, and a and b are positive constants determined by the lithium ion battery and the time t). ,
Using the values of a and b in the relational expression (1) as a function of the time t,
a = d × t e (2 )
b = f × t h (3)
(Here, d, e, f, h is a constant determined by the lithium ion battery, 0 <d, e <0,0 <f, h < 0) volume estimate of the lithium ion battery you calculated by A method,
Using the same type of lithium ion battery as the target of capacity estimation or the lithium ion battery,
A charging period according to a constant current constant voltage method in which a total charging time for one time is 3 hours or more and within one month, a discharging period, and a pause period provided between the charging period and the discharging period as necessary And repeating the charge / discharge cycle having 5 or more times,
In each cycle, the elapsed time t ni at a plurality of time points where the elapsed time from the time when the charging condition is switched from the constant current to the constant voltage is within a range of 30 seconds or more and 30 minutes or less (where n is each Cycle number, i is a number assigned to each time point in each cycle) and the charging current value It ni , and the discharge capacity C obtained by integrating the discharge current with respect to time for each cycle. recording the n, and a recorded the elapsed time t ni and the charging current value It ni and the discharge capacity C n, the relational expression (2), d, e, f, the value of h in (3) features and to Brighter lithium ion capacity estimation method of a battery to be established.
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